Einfluss von Interleukin-10 und TNFα auf die chondrogene Differenzierung der humanen mesenchymalen Stammzellen

Abstract

Mesenchymale Stammzellen (MSCs) als Vorläuferzellen der Chondrozyten haben ein großes Potenzial in der Entwicklung neuartiger Therapieansätze in der regenerativen Medizin. Interleukin (IL)-10 ist ein anti-inflammatorisches Zytokin, dessen Rolle in MSCs noch unerforscht bleibt. Diese Arbeit wurde durchgeführt, einerseits zur Untersuchung eines Scaffold-freien dreidimensionalen (3D) Kultursystems und andererseits zur Erforschung des Einflusses des IL-10 und Tumornekrosefaktor (TNF)α auf die chondrogene Differenzierung der MSCs. MSCs wurden aus dem Knochenmark der Spongiosa von Femurköpfen isoliert. Nach der Isolierung erfolgten Untersuchungen des Oberflächenprotein-Expressionsmusters, der Multipotenz und der Expression von IL-10-Rezeptor (R) und IL-10. Nach der Kultivierung wurden die Scaffold-freien 3D-Kulturen angefertigt. Nach 7-tägiger chondrogener Differenzierung wurden die Kulturen mit IL-10, TNFα, TNFα + IL-10 stimuliert. Als Kontrolle dienten nicht stimulierte und nicht differenzierte 3D-Kulturen. Gen- und Proteinexpression von Kollagen Typ II, Aggrekan, sox9 und TNFα wurden untersucht. MSCs exprimierten die typischen Oberflächenrezeptoren, IL-10R und IL-10. Eine Multipotenz der isolierten Zellen konnte nachgewiesen werden. IL-10 induzierte STAT3-Expression. Die 3D-Kulturen behielten während der gesamten Kulturdauer ihre ursprüngliche Form. Die chondrogen differenzierten Zellen exprimierten die typischen Knorpelmarker. IL-10 und/oder TNFα haben die chondrogene Differenzierung der MSCs nicht inhibiert. Obwohl der Effekt nicht signifikant im Vergleich zur Kontrolle war, hatte IL-10 eine leicht stimulierende Wirkung auf die Expression von Kollagen Typ II, Aggrekan, sox9 und TNFα. Ferner, schienen IL-10 und TNFα eine Rolle in der Chondrogenese zu spielen was eine Möglichkeit bei Entwicklung neuartiger Therapien von Knorpeldefekten bieten könnte insbesondere im Hinblick auf ein Entzündungsmilieu bei Arthrose.

Chondrogenic differentiated mesenchymal stromal cells (MSCs) are a promising cell source for articular cartilage repair. Interleukin (IL)-10 is believed to be an anti-inflammatory cytokine and its role in MSCs is still unknown. This study was undertaken to determine the efficacy of a scaffold-free three- dimensional (3D) culture system for chondrogenic MSCs differentiation and to assess the effect of IL-10 and Tumor Necrosis Factor α (TNF) on chondrogenesis by MSCs in the 3D high-density (H-D) culture. MSCs were isolated from the bone marrow of the femur spongiosa. Subsequently they were characterized using a set of typical cell surface markers, tested for multipotency and introduced in scaffold-free H-D cultures for chondrogenic differentiation. A part of the isolated MSCs was also introduced in a monolayer culture to determine whether they express the IL-10 receptor (R), or IL-10. H-D cultures were stimulated with recombinant IL-10, TNFα, TNFα + IL-10 or remained untreated as controls. Gene and protein expression of type II collagen, aggrecan, sox9 and TNFα were examined. MSCs expressed typical cell surface markers, revealed multipotency and expressed IL-10R as well as IL-10. IL-10 increased the expression of STAT3. The H-D cultures maintained their form through the whole experiment. Chondrogenic differentiated cells expressed cartilage-specific markers. IL-10 and/or TNFα did not impair the chondrogenic differentiation of MSCs. Moreover, in most of the investigated samples, despite not reaching the significance level, IL-10 had a stimulatory effect on the type II collagen, aggrecan and TNFα expression when compared with the respective controls. IL-10 and TNFα seem to influence chondrogenesis. These results could facilitate the development of novel therapeutical strategies for the treatment of cartilage defects especially under inflammatory conditions like osteoarthritis.